张承高速公路隧道围岩级别划分问题的探讨

任艳斌 郑金田 王晨涛

(中交远洲交通科技集团有限公司，河北 石家庄 050051)

张承高速公路隧道围岩级别划分问题的探讨

任艳斌 郑金田 王晨涛

(中交远洲交通科技集团有限公司，河北 石家庄 050051)

分析了地质背景对隧道围岩的划分影响，结合张承高速公路张家口至崇礼段的特殊地质构造、地层分布和地形地貌情况，综合研究了围岩划分的考虑因素，提出了隧道围岩级别划分和施工过程中需注意的问题，以供类似的工程勘察参考应用。

高速公路，隧道围岩，膨胀岩,隧道

张家口市位于河北省的西北部，京、晋、蒙的交界处，是京、津、唐经济圈联系山西、内蒙的枢纽和中介，亦是沟通中原与北疆，连接中西部资源产区与环渤海经济圈的重要纽带，战略位置上又是国家和首都北京的北大门。项目区地形、地貌多变，地质情况复杂，特别是膨胀岩的不均匀分布，对隧道围岩级别的划分影响较大。本文从地质背景、地质特征和勘察手段等多方面入手，分析隧道围岩级别的划分，并评价其对工程的影响，特别是膨胀岩不均匀分布的分析评价。

1 隧道所处地质背景及与隧道围岩的关系

传统地质学将地壳表层按其活动性划分为地台与地槽两构造单元。“地台”属于地壳的稳定区，上升下降幅度小，褶皱断裂不甚发育，未遭受过强烈的地壳变动，地层和岩体受到的破坏小，完整性相对较好。而“地槽”则相反，它是地壳强烈活动的地区，遭受过强烈的地壳变动，上升下降幅度大，褶皱断裂十分发育，岩浆活动频繁，地层、岩体受破坏严重，完整性差。人们又称它为褶皱带或造山带。

传统地质学还根据其相对活动和稳定的程度在地台和地槽内部又进一步划分出若干次级与更次级的构造单元，以区分彼此不同的地质构造特征与成矿地质特征。

张承高速公路张家口—崇礼段，所处大地构造位置为中朝准地台燕山台褶带的宣付天—小营盘断褶带内。这里人们在“地台”前加了个“准”字，意思是说它属于地台区，但不标准。缺乏真正意义上的地台应有的稳定程度。所谓台褶带、断褶带则更进一步地说明了它所处具体位置的活动程度。

该区的地质发展历史也充分说明，在漫长的地质历史演变过程中，曾经历多次强烈的地壳变动，形成了复杂的地质构造景观，从所保留下的构造形迹来看，尤如“分离立交”，中生代以前以东西向构造展布为主，而中生代侏罗纪则以北东方向叠加其上。

从构造活动的强烈程度与形成过程来看，由早到晚表现出三个大的构造发展活动阶段。即早期(太古代—早元古代)基底的形成阶段，中期(中、晚元古—中生代三叠纪)盖层的形成与发展阶段，晚期(侏罗纪)的地台活化性亦超出了“地台”相对稳定的极限，达到了与地槽褶皱带几乎可以相提并论的程度。

对工程岩体来说，处在这一地质构造环境是不利的，受到影响的程度均较严重或很严重。作为地下工程的隧道围岩，稳定性一般较差，级别多偏低，这是这样的地质构造环境所赋予它的必然结果。

2 张承高速公路几处隧道围岩的地质特征

张承高速公路共设计有4处隧道，均位于路线前半段的盆地低山丘陵区与中低山区，所穿越的地层岩性均为侏罗系上统(J3)的火山岩。按其岩性组合特征及上下关系，可分为四岔组与啕北营组。四岔组区内仅出第一段(J3S1)，其岩性以凝灰质为主，夹凝灰岩与石英斑岩。啕北营组可分三段：上段(第三段)，以粗面岩、英安岩、安山岩为主，夹流纹岩与凝灰岩；中段(第二段)，以流纹岩为主，夹石英斑岩、粗面岩与凝灰岩；下段(第一段)，为凝灰岩、凝灰质角砾岩与凝灰质砂砾岩。

需要强调的是，在以上所有地层中均夹有膨胀岩包体。这种包体系由后期热流沿原岩的节理，裂隙蚀变而成，形态不规则，分布无规律，规模时大时小。浅部风化强烈，形成膨胀土，深部(100 m以下)风化作用差，在微～未风化带则保持原岩(斑脱岩)特征。强度大，与流质岩、凝灰岩肉眼难以辨别。

在地质构造上，隧道穿越段，尤其大华岭隧道穿越段，断裂构造较为发育，目前地表所见规模较大的断层就有5条，对隧道围岩稳定性产生很大的影响。

3 隧道围岩划分上存在的主要问题

张承高速公路隧道围岩划分，主要是根据岩(土)性质、结构构造特征、强度等级，受地质构造影响程度、完整程度、波速比等综合考虑，其资料来源主要是地表地质观察、物探和钻探成果。根据划分结果来看，Ⅳ级，Ⅴ级围岩依据相对充分，原因是这些围岩分布地段一般埋深浅，根据地表观察，结合物探资料易于分析、推断，加之又有一定的钻探工程控制，可靠性较大。而Ⅲ级围岩划分则主要的，甚至是唯一的根据——埋深大。正因为埋深大，地质分析推断局限性就大；因为埋深大，物探勘察深度达不到，资料无法显示；又因为深埋大，地形复杂，钻探工程无法实施，缺少第一手资料。所以Ⅲ级围岩一般可靠程度相对较差，可变性更大。

除了上述划分中存在的主要问题外，围岩中的膨胀岩包体则是影响稳定的另一重要因素。试验结果表明，膨胀岩(土)的自由膨胀率(δef)为38.00%～75.00%，具有弱～中等膨胀性。在空间上的分布又无规律可寻，即由四岔组的第一段(J3S1)到啕北营业组的1—3(J3t1-3)段都有分布。目前，在东山隧道和大华岭隧道前半段所施工的7个钻孔以及两隧道之间的各桥梁钻孔中均有膨胀岩分布，其比例占到基岩(火山岩)段的20%～50%，有的高达100%(桥梁孔)。这一事实说明膨胀岩对隧道围岩，尤其东山隧道(长隧道)和大华岭隧道(物质特长隧道)的影响程度是十分明显的、严重的。

4 施工中可能出现的问题

1)鉴于该区所处大地构造环境、隧道围岩的地质特征以及有限的钻孔工程控制程度，隧道围岩级别的定量分析受到较大的限制，尤其不同级别围岩界线的圈定不可避免地存在一定程度的随意性，因而施工中不同围岩界线位置的变化不仅是可能的，而且会是常有的。同时，围岩的变更也是难免的。

这样说并不等于否定我们的勘察成果，贬低我们的设计，更不是回避我个人的责任。恰恰相反，而是说明，对隧道这样的特殊工程，人们对它要取得真正的认识，也必然离不开由点到面，由浅入深，即实践—认识，再实践—再认识这一辩证的认识过程。目前，公路工程界普遍认为公路隧道的施工图设计只是“预设计”，而在开挖过程中根据隧道监控、超前预报所作的动态设计才是最终的设计。这是人们经过多年实践对公路隧道工程设计与施工所作出的一个科学总结。所以隧道的设计与变更，不仅张承高速公路运输会这样，乃至全国，甚至世界各地，也都是这样。

2)按照《公路隧道设计规范》要求，膨胀性隧道围岩应采取复合式衬砌，二次衬砌采用等厚、圆顺断面，并宜采用钢筋混凝土衬砌。同时，支护均应设置仰拱，而张承高速公路隧道设计在Ⅲ级围岩地段采用两套方案，即正常围岩段二次衬砌采用素混凝土，如遇膨胀性围岩，则采用钢筋混凝土。这一设计思路于方案本来是完全正确的，无可非议的，但问题在于该区膨胀岩不仅分布无规律、形态不规则、空间变化大，在围岩所占比例比较大，而且在埋深大、微风化～未风化的情况下与流纹岩、凝灰岩肉眼难以区分，强度二者没有多大差异，如果这一特征在隧道开挖后能长久地保持下去，而不发生任何变化，二次衬砌采取素混凝土也是可以的。但这是不可能的，随着隧道的开挖，地质环境将随之变化。地下水由静态变为动态，流动加速，循环加快，围岩风化作用随之加剧。在经过一定的时段后，膨胀岩的膨胀性即显示出来，如果设计不到位，就将直接影响到支护衬砌的稳定性，造成不良后果。大华岭隧道隧址附近已建二道边军事隧道底鼓的发生与侧墙的开裂、倾斜就是一个很好的例证。

5 结论与建议

1)由于本区膨胀岩分布的无规律性及在围岩中所占比例之大，在埋深大、微风化、未风化情况下，又与流质岩、凝灰岩肉眼难以区分的特点，而隧道工程又是修复困难的重大工程，从长远考虑，为了保证初砌的安全性，建议Ⅲ级围岩分布地段二衬全部采用钢筋混凝土初砌并施作仰拱，以防留下隐患。

2)加强隧道施工监控，根据开挖实际，对预设计(施工图设计)随时提出修改意见，为动态设计提供依据。

[1] 郑金田，任艳斌，梁军平.张承高速公路张家口至崇礼段详细工程地质勘察报告[R].

[2] 常士骠，张苏民.工程地质手册[M].第4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

Inquiry on Zhang-Cheng highway tunnel surrounding rock level division

Ren Yanbin Zheng Jintian Wang Chentao

(ChinaCommunicationYuanzhouTrafficScience&TechnologyGroupCo.,Ltd,Shijiazhuang050051,China)

The paper analyzes influence of geological background upon surrounding rock division. Combining with special geological structure, stratum distribution and landform of Zhangjiakou-Chongli section of Zhang-Cheng highway, it comprehensively studies surrounding rock division factors, and points out matters needing attention in tunnel surrounding rock level division and construction process, with a view to provide some guidance for similar engineering survey.

highway, tunnel surrounding rock, expansive rock, tunnel

2015-01-14

任艳斌(1981- )，男，工程师

1009-6825(2015)09-0175-02

U451.2

A